CN101800923B - 抑制振膜第二共振模态的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明抑制振膜第二共振模态的装置及方法，通过使用所谓虚音调或基音缺失的心理声学现象来实现，把其固有低频共振频率处的信号提取出来，产生该频段信号的谐波，通过发出谐波信号，得到与原频段信号相似的心理感觉，同时也避免在固有低频共振频率处信号较强时振膜振动幅度太大对振膜造成损伤，这种通过音调的谐波替换在音频信号出现但不用微型扬声器产生所有频率音调，增强振膜的功率承受能力，有效的改善发声器件的性能。

Description

抑制振膜第二共振模态的装置及方法

【技术领域】

本发明涉及发声器振膜振动领域，具体指一种抑制电声能发声装置中振膜的第二共振模态的方法及装置。

【背景技术】

一般锥形扬声器所有效频率范围，约自60-70Hz至6000-7000Hz，其频响曲线也有较大的不均匀度约12-15dB，在这个范围内振膜上各点的振动幅度和相位都是相同的。但振膜在固有的低频共振频率处，将作分割振动，出现节径或节圆现象，使得膜的振动至少分为两部分，且振动的相位相反，这样会使得膜处于简正振动状态，造成失真和纯音不良，而且功率较大时容易造成振膜的损伤。激光全息振动分析表明：振膜从整体振动向分割振动过渡时，即当振膜形成第一节圆时，响曲线将出现较深的谷。这个谷的出现，不仅使扬声器的不均匀度增大，而且在此频率点将出现较大的失真。因此，为展宽扬声器的重放频带，减小不均匀度，改善其非线性失真，可以改善扬声器声学装置或对音频信号进行预处理，来改善扬声器的性能。

【发明内容】

本发明的目的在于解决振膜在低频范围内出现节径的问题，而提出一种抑制振膜第二共振模态的装置及方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种抑制振膜第二共振模态的装置，包括：

用于接受音频信号的带阻滤波器，该带阻滤波器将信号中除固有低频处的信号之外的信号提取出来形成第一信号；

用于接受同一音频信号的带通滤波器，该带通滤波器将信号中固有低频处的信号提取出来形成第二信号；

谐波发生器，连接所述的带通滤波器，所述的谐波发生器接收第二信号并产生固有低频处信号的谐波信号；

加法器，分别连接带阻滤波器和谐波发生器，它将第一信号与谐波信号相加生成输出的音频信号，传送至发声装置。

优选的，带阻滤波器和带通滤波器分别与将模拟信号转换成数字信号的信号提取模块连接，所述加法器与将数字信号转换成模拟信号的信号转换器连接。

所述谐波发生器与加法器之间连接增益控制模块，所述增益控制模块控制谐波信号的幅度和成分比例，以达到原音频信号的效果。

一种抑制振膜第二共振模态的方法，包括以下步骤：

将输入的音频信号中除固有低频处信号之外的信号通过一带阻滤波器提取出来生成第一信号；

对输入的音频信号中固有低频处的信号通过一带通滤波器提取出来生成第二信号；

将第二信号通过一谐波发生器进行非线性处理，得到除基频之外的其他谐波成分信号；

通过一加法器组合第一信号与其他谐波成分信号，生成输出的音频信号。

为了使得输出的音频信号更加接近原音质，在得到除基频之外的其他谐波成分信号后，提供一增益控制模块，对其他谐波成分信号进行增益降低失真处理。

本发明抑制振膜第二共振模态的装置及方法，通过使用所谓虚音调或基音缺失的心理声学现象来实现，把其固有低频共振频率处的信号提取出来，产生该频段信号的谐波，通过发出谐波信号，得到与原频段信号相似的心理感觉，同时也避免在固有低频共振频率处信号较强时振膜振动幅度太大对振膜造成损伤，这种通过音调的谐波替换在音频信号出现但不用微型扬声器产生所有频率音调，增强振膜的功率承受能力，有效的改善发声器件的性能。

【附图说明】

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明方法示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明作详细说明。

通常振膜在固有低频共振频率处发生节径现象，要避免这种现象的发生，就要把音频信号中固有低频共振频率处的信号提取出来，固有低频共振频率计算方法如下：

设有一张薄膜，在忽略媒质对膜振动的影响的理想状态下，其振动频率的推导如下：

T为每单位长度直线所受的牵引力，η为振膜上一点离开平衡位置的垂直方向位移，σ为单位面积膜的质量，C为膜振动的传播速度，则

$c=\sqrt{\frac{T}{\mathrm{\σ}}}.$

W为圆频率，K为波数，则 $k=\frac{w}{c}.$

膜的振动方程：

${\▿}^2\mathrm{\η}=\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\η}}{{\∂t}^2},$ 其中， ${\▿}^2=\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2}{{\∂y}^2}$ 为二维直角坐标的拉普拉斯算符。

对称振动时膜的位移可以表示为：

η(t，r)＝AJ₀(kr)e^jwt，J₀(z)为零阶贝塞尔函数。

周界固定的圆形膜，满足的边界条件为

η(r＝a)＝0，可表示为J₀(ka)＝0。

设μ_n＝k_na，满足J₀(μ)＝0的μ值有n个，分别为μ₁＝2.405，μ₂＝5.520，μ₃＝8.654。

周界固定的圆形膜的频率方程：

f_n称为简正频率 $f_n=\frac{{\mathrm{\μ}}_n}{2\mathrm{\πa}}\sqrt{\frac{T}{\mathrm{\σ}}}$

对于非对称振动，需要满足J_m(ka)＝0，此式代表一般圆膜振动的频率方程，m＝0代表的是圆对称振动的频率方程，m＞0代表非圆对称振动的频率方程。m阶柱贝塞尔函数的根值为ka＝k_mna＝μ_mn，由于k_mna＝μ_mn，即 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mn}}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mn}}\frac{c}{a},$ 所以不同根值μ_mn对应着不同的膜振动固有频率及其振动模式。

J_m(μ_n)＝0的根植μ_mn如下表：

设第一共振频率f₁，对应μ₀₁，则第二共振频率点为f₂，对应μ₁₁，以此类推，考虑振动比较大的几个低频固有频率：

$f_2=\frac{3.832}{2.405}{f}_1=1.59f_1;$

$f_3=\frac{5.135}{2.405}{f}_1=2.13f_1;$

$f_4=\frac{5.520}{2.405}{f}_1=2.29f_1;$

其余的依次类推。

由上推出的振膜的振动特点：当输入的音频信号的频率在其第一共振频率的1.59倍处，2.13倍处等，膜会产生一个节径，由于需要避免其在共振频率处的振动，则可以采用心理声学基音缺失的方法得到同样效果的声音。把其共振频率处的信号提取出来，产生该频段信号的谐波，通过发出谐波信号，得到与原频段信号相似的感觉，可以避免在第二共振频率处信号较强时振动太大对振膜造成损伤。见图1所示，为本发明抑制振膜第二共振模态的装置示意图，包括：

用于接受音频信号的带阻滤波器310，该带阻滤波器310将信号中除固有低频处的信号之外的信号提取出来形成第一信号；

用于接受同一音频信号的带通滤波器320，该带通滤波器320将信号中固有低频处的信号提取出来形成第二信号；

谐波发生器330连接带通滤波器320，接收第二信号并产生固有低频处信号的谐波信号；

加法器350，将第一信号与谐波信号相叠加组合，然后传送至发声装置。

由于本发明装置对数字信号进行处理，所以需要将输入的模拟音频信号装换成数字信号，则输入给带阻滤波器和带通滤波器的信号预先经过信号提取模块100将模拟信号转换成数字信号，而从加法器350输出的信号经过信号转换器200将数字信号转换成模拟信号。

为了使输出的音频信号达到原有音频信号的音质，在所述谐波发生器330与加法器350之间连接增益控制模块340，所述增益控制模块340控制谐波信号的幅度和成分比例。研究表明，一般偶次谐波多，奇次谐波少的情况下，可以使音质透明，那么可以在产生谐波之后，通过增益控制模块340来改变谐波的成分比例，将偶次谐波增大，奇次谐波减小。增大和减小的程度要通过听音试验来确定。例如一个三次的强谐波可以使音质打破沉闷，那么可以在增益控制模块340里将三次谐波加大，从而改善音质。

本发明抑制振膜第二共振模态的方法，在对音频信号进行处理时，考虑其共振频率，假如f₁第一共振频率比较低，那么可以考虑f₂＝1.59倍f₁，f₃＝2.13倍f₁，或更多的频率处的信号，由于f₁比较低，其最先的几个共振频率也会比较低，那么这些共振频率处的振动比较大；如果f₁比较高，那么可以只考虑在f₂、f₃处来进行信号提取。例如f₁＝40Hz，那么f₂、f₃、f₄还没超过100Hz，但如果f1＝400Hz，那么f₂、f₃接近800Hz，再高频率的振动幅度比较小了，也就不用考虑f₂、f₃处的信号。

如图2所示，本发明包括以下步骤：

从输入的音频信号中除固有低频处信号之外的信号，通过带阻滤波器310生成第一信号；

同时用带通滤波器320对输入的音频信号中固有低频处的信号提取出来，生成第二信号；

通过谐波发生器330对第二信号进行非线性处理，得到除基频之外的其他谐波成分信号；

其他谐波成分信号经过一增益控制模块340进行增益降低失真处理；

通过加法器350组合第一信号和增益降低失真处理后的信号，生成输出的音频信号传送至发声装置，由于共振低频处的音调谐波替换，发声装置能发出同样高品质的声音，而且也避免振膜在固有共振低频处受到损伤。

在上述的谐波成分信号处理步骤中，采用信号处理可用DSP设备来产生。根据傅立叶分析知道，任何一个非正弦形的周期函数都可以展开成频率为

的简谐函数的组合，通过信号的非线性处理，可以用频率为ω的正弦波形产生除基频ω之外的其他谐波成分。

假设f₁＝400Hz，f₂＝1.59*400＝636Hz，对本发明装置输入一段音乐信号，这段音乐信号包含了200Hz到5000Hz的频率成分，其中636Hz附近的成分会让扬声器振膜产生非对称性振动，那么就将636Hz处的信号提取出来产生谐波信号，通过带通滤波器滤出600到650Hz的信号，通过DSP产生谐波信号，谐波信号为600*N到650*nHz，n＝2，3，4，5......，将该谐波信号输给扬声器，利用心理声学的效果，让听者主观感觉到其声音还是600到650Hz的信号那个音调。此时，输入给扬声器的信号中600到650Hz的信号已经被滤掉了，故扬声器在f2附近就不会产生非对称振动了，这样也就避免对振膜的损伤。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种抑制振膜第二共振模态的装置，其特征在于：包括：

用于接受音频信号的带阻滤波器，该带阻滤波器将信号中除固有共振低频处的信号之外的信号提取出来形成第一信号；

用于接受同一音频信号的带通滤波器，该带通滤波器将信号中固有低频处的信号提取出来形成第二信号；

谐波发生器，连接所述的带通滤波器，所述的谐波发生器接收第二信号并产生固有低频处信号的谐波信号；

加法器，分别连接带阻滤波器和谐波发生器，它将第一信号与谐波信号相加生成输出的音频信号，传送至发声装置；

所述带阻滤波器和带通滤波器分别与将模拟信号的音频信号转换成数字信号的信号提取模块连接，所述加法器与将数字信号转换成模拟信号的信号转换器连接；

所述谐波发生器与加法器之间连接一增益控制模块，所述增益控制模块控制谐波信号的幅度和成分比例，以达到原音频信号的效果。

2.一种用于权利要求1所述抑制振膜第二共振模态的装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

将输入的音频信号中除固有共振低频处信号之外的信号通过一带阻滤波器提取出来生成第一信号；

对输入的音频信号中固有低频处的信号通过一带通滤波器提取出来生成第二信号；

将第二信号通过一谐波发生器进行非线性处理，得到除基频之外的其他谐波成分信号；

通过一加法器组合第一信号与其他谐波成分信号，生成输出的音频信号；

在得到除基频之外的其他谐波成分信号后，提供一增益控制模块，对其他谐波成分信号进行增益降低失真处理。

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